Infiltration de particules et de fluide dans des micro-treillis acoustiques intégrés dans une turbosoufflante

RÉSUMÉ Le secteur de l’aviation civile rencontre de nombreux défis énergétiques et environnementaux, dont la réduction de la consommation de carburant, des émissions de gaz à effet de serre et de la pollution sonore. La réduction du bruit des avions fait l’objet d’une réglementation plus sévère à cause de la gêne acoustique perçue, en particulier par les populations aéroportuaires. Le bruit des avions est en grande partie généré par les moteurs. Outre l’utilisation de traitements acoustiques localisés, le développement des turbosoufflantes à fort taux de dilution a permis une réduction significative de la consommation de carburant et du bruit d’éjection des gaz par rapport aux anciennes générations de turboréacteurs. De plus, l’utilisation d’un revêtement abradable à proximité des pièces tournantes, comme la soufflante, a permis de réduire la consommation de carburant et de protéger ces pièces de potentiels dommages pendant leur durée de vie. Néanmoins, les technologies existantes de traitement acoustique, qui sont des cavités résonantes, présentent des performances limitées en basses fréquences et en large bande. Le présent projet s’inscrit dans le cadre de l’étude des effets de l’intégration d’un traitement acoustique innovant sur des matériaux abradables, combinant ainsi ces deux fonctionnalités en un seul concept. La réalisation de structures acoustiques innovantes, basées sur des matériaux abradables qui sont normalement pleins, nécessite des méthodes de mise en forme adaptées et précises. Un intérêt est porté sur la fabrication additive, plus précisément la technique d’écriture directe. Deux matériaux ont fait l’objet d’une étude de mise en forme : l’abradable commercial EC 3524 A/B et la résine EPON 828/EPIKURE 3274. Cette étude a abouti à l’impression de trois configurations acoustiques, sous forme de micro-treillis, par dépôt direct de filaments. Des observations microscopiques permettent de compléter cette analyse de la capacité de mise en forme. De la vaseline, puis de la nano-silice, sont rajoutées à l’abradable commercial (EC 3524 A/B), dans diverses proportions, pour le rendre imprimable sur une épaisseur équivalente à celle d’un traitement acoustique dans une soufflante. Les résultats obtenus suggèrent une capacité de mise en forme sur une faible épaisseur, mais un flambement de la structure et/ou une obstruction récurrente de la buse d’extrusion, sont observés lorsque le nombre de couches empilées augmente. Pour le second matériau (EPON 828/EPIKURE 3274), des formulations abradables, contenant des microbilles de verre et de la nano-silice sont étudiées, puis la meilleure formulation, selon un certain nombre de critères, est choisie pour la fabrication des échantillons.

Abstract

ABSTRACT Civil aviation is facing many challenges, such as noise pollution, fuel consumption and greenhouse gas emissions. In order to improve living conditions of inhabitants in airport areas, engine manufacturers and airports are subjected to severe regulatory restrictions. Aircraft noise is largely produced by the engines, which have undergone high improvements regarding noise reduction, through their design technologies and the use of resonant cavities as acoustic liners. Indeed, airliners are now equipped with new generation of turbofans with high bypass ratio, which contribute to reduce fuel consumption and jet noise. The application of an abradable sealing near rotating parts of the engine, also helps improve fuel economy, by reducing the clearance between the blades and the fan case. These coatings also protect rotating parts (fans, turbines, compressors) from damages during their service life. Although resonant cavities are well suited to absorb engine noise for specific frequency ranges, they remain inefficient to reduce low frequency broadband noise in newer turbofans. This project, in partnership with Safran group, focuses on the study of the effects of adding an acoustic functionality to a thermoset abradable material used in turbofans. The development of such acoustic structures using abradable materials requires suitable manufacturing techniques. Particular interest is paid to direct ink writing (DIW) which is one of the most used additive manufacturing techniques for thermosets. The acoustic material is made of a superposition of multiple layers of micro-lattices. Three acoustic configurations are analyzed to assess the ability to retain the shape during and after printing. Two materials, namely EC-3524 A/B and EPON 828/EPIKURE 3274, are selected. Different material blends composed of fillers mixed with neat resins, are investigated. Various loadings of fumed silica and/or petroleum jelly are added to the abradable thermoset, EC-3524 A/B. Microscopic observations are also used to assess the shape retention capacity of the materials. The results of this study, suggest shape retention capacity is achieved only for small sample thicknesses. Moreover, buckling of the structure and/or nozzle clogging are observed with increasing number of stacked layers. As for the second thermoset EPON 828/EPIKURE 3274, abradable blends containing various proportions of hollow glass microspheres and fumed silica, are studied. The best formulation (blend) is then chosen with respect to a number of pre-established criteria, for the development of abradable acoustic materials.